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2019年诺贝尔物理学奖揭晓:宇宙演化获奖

2019/10/9 8:02:32  文章来源:新浪科技  作者:佚名
文章简介:北京时间10月8日消息,2019年诺贝尔物理学奖揭晓:加拿大裔美国科学家James Peebles、瑞士科学家Michel Mayor、瑞士科学家Didier Queloz获奖。宇宙的基本组成部分,以及它们之间如何相互作用和演变的方程,构成了大爆炸宇宙学中的索引模型,有时称为

  新浪科技讯 北京时间10月8日消息,2019年诺贝尔物理学奖揭晓:加拿大裔美国科学家James Peebles、瑞士科学家Michel Mayor、瑞士科学家Didier Queloz获奖。奖励他们“在增进我们对宇宙演化,以及地球在宇宙中地位的理解方面所做出的贡献”。其中一半奖金授予美国普林斯顿大学的James Peebles,获奖理由是“对于物理宇宙学方面的理论发现。”另一半奖金授予瑞士日内瓦大学的Michel Mayor,以及瑞士日内瓦大学/英国剑桥大学的Didier Queloz,获奖理由是“发现了围绕其他类太阳恒星运行的系外行星”。

  关于我们在宇宙中地位的崭新视角

  今年的诺贝尔物理学奖奖励人类对于宇宙结构与历史方面的崭新理解,以及围绕类太阳恒星运行的系外行星。James Peebles关于物理宇宙学的洞察丰富了整个研究领域并为过去50年间宇宙学领域所发生的深刻变革奠定了基础,将猜想变为了科学。他在上世纪1960年代中期以来所建立的理论框架,已经成为我们理解宇宙的基础。

  大爆炸模型描述了宇宙从大约140亿年前诞生开始的历史,当时的宇宙极端高温,密度极大。自那以后,宇宙经历了不断的膨胀,体积变大,不断降温。大约在宇宙大爆炸之后40万年,宇宙开始变得透明,光第一次得以在宇宙间传播。即使在今天,这一古老的辐射仍旧弥漫在我们的周围,并在其中隐藏着许许多多关于宇宙的秘密。借助他所开创的理论工具和计算方法,James Peebles得以解码这些来自宇宙婴儿时期的线索,并发现了全新的物理学过程。

  他的研究结果显示,我们所知的宇宙只占到宇宙的5%,它包括了所有的恒星,行星,树木,以及我们。剩余的95%都是未知领域,包括暗物质以及暗能量。这是当代物理学所面临的重大谜团和挑战。

  1995年10月,Michel Mayor和Didier Queloz宣布首次发现太阳系外的一颗行星,一颗系外行星,围绕我们的银河系中的一颗类似于太阳的恒星运行。在法国南部的Haute-Provence天文台,使用定制的仪器,他们能够看到行星“51 Pegasi b”,一个可与太阳系最大的气体巨星“木星”相媲美的气态球体。

  这一发现开启了天文学的一场革命,自那时以来,银河系已经发现了4000多颗系外行星。奇异的新世界仍在不断被发现,其大小、形状和轨道之丰富令人难以置信。这些行星挑战了我们对行星系统的先入之见,并迫使科学家修正他们关于行星起源背后的物理过程的理论。随着大量的寻找系外行星的计划着手实施,我们或许最终能回答其他星球是否有生命存在这一永恒的问题。

  今年的获奖者改变了我们对宇宙的看法。James Peebles的理论发现有助于我们理解宇宙在大爆炸后是如何演化的,而Michel Mayor和Didier Queloz则在寻找未知行星的过程中探索了我们的宇宙邻居。他们的发现永远改变了我们对地球和宇宙的看法。

  现代宇宙学揭示了宇宙的历史,以及宇宙中令人意想不到的物质和能量组成部分。与此同时,人们发现太阳远不是银河系中唯一具有行星的恒星。新的发现显示,行星系统具有广泛的多样性。在过去的几十年里,我们对宇宙的理解发生了深刻的变化,也改变了我们对地球在宇宙中所处地位的看法。今年的诺贝尔物理学奖关注的正是这些突破性的发现。

  物理宇宙学

  天文学家对宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,CMB)中温度各向异性的测量越来越精确,对宇宙膨胀历史的研究也更加深入,同时对宇宙大型结构的天文观测也越来越详细,这一切都使宇宙学发展成为一门以精确性为标志的科学。

  如此令人兴奋的发展之所以成为可能,要感谢过去半个世纪以来,物理学家们在宇宙学理论框架中的突破性发现。今年的诺贝尔奖得主James Peebles在这个领域做出了开创性的贡献。他通过详细的建模,并利用分析和数值方法,对宇宙的基本属性进行了探索,发现了意想不到的新物理学。现在,我们有了一个统一的模型,能够描述宇宙从最初的几分之一秒到现在以及遥远未来的状态变化。

图一:左侧是宇宙未知的起源点,逐渐向右侧扩展,形成一个不断变暗的宇宙。右侧的曲线指示背景辐射。

  图一:左侧是宇宙未知的起源点,逐渐向右侧扩展,形成一个不断变暗的宇宙。右侧的曲线指示背景辐射。

  现代宇宙学建立在爱因斯坦广义相对论的基础上,假设了最初的“大爆炸”时期,当时宇宙极其高温和稠密。大爆炸后不到40万年,宇宙温度下降到3000K左右,电子与原子核得以结合成原子。由于没有留下任何能轻易与光子相互作用的带电粒子,当时的宇宙对光是透明的。这种辐射现在以宇宙微波背景(CMB)的形式出现。由于宇宙学上的红移,CMB的温度目前只有2.7K——自物质和辐射去耦(decoupling)以来,这一系数降低了约1100倍。在图1中,CMB的来源可以看成一个屏幕,使我们无法轻易地回溯到大爆炸后几百万年以前的时间。

  美国恐怖小说作家埃德加·爱伦·坡是最早提出宇宙始于大爆炸这类观点的人之一,他在他的散文诗《尤里卡》(Eureka)中描述称,宇宙是有开端的,以此来解释为什么夜晚的天空是黑暗的。这一问题后来被称为奥伯斯佯谬,由德国天文学家海因里希·威廉·奥伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)于1823年提出,指出若宇宙是稳恒态且无限的话,那晚上应该是光亮而不是黑暗的。在《尤里卡》中,爱伦·坡甚至提出宇宙最初是一个“原始粒子”,然后爆炸了。

  1922年,俄罗斯数学家、宇宙学家亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedman)利用爱因斯坦新提出的广义相对论,首次提出了宇宙膨胀的数学理论。他在1924年进一步发展了自己的理论。1927年,这些观点被比利时天主教神父和天文学家乔治·勒梅特(Georges Lemaitre)重新发现,他后来提出了“原始原子”的概念。勒梅特还认为,星系之间正在相互远离,这一点可以用宇宙膨胀来解释。1924年,瑞典天文学家克努特·伦德马克(Knut Lundmark)获得了类似的观测结果,尽管严密性和精确性有所不足。随着美国天文学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在1929年的观测,人们普遍接受了宇宙实际上在膨胀的观点。

  通过天文观测,我们了解到以核子形式存在于恒星、气体云等结构中的常规重子物质的数量,不超过目前总能量密度的5%。此外,暗物质占宇宙临界密度的26%。我们也可以称暗物质为看不见的物质,因为它既不发光也不吸收光。到目前为止,天文学家只能通过暗物质的引力效应来了解它。

  宇宙中最重要的组成部分是宇宙学常数,它代表了不受膨胀影响的恒定能量密度。宇宙学常数是暗能量的两种模型之一,“暗能量”一词也说明了它随时间和空间变化的可能性。也就是说,暗能量不一定是量子场论中引入的常数,也不一定与真空能量有关。观测结果表明,暗能量约占宇宙临界密度的69%。随着物质的其他成分被膨胀稀释,暗能量将随着时间变得越来越重要(除非它的能量密度开始下降)。

  暗能量可以迫使星系加速远离彼此,这一点似乎并不直观,但却是暗能量不寻常属性的直接后果。图1的右半部分显示了宇宙加速膨胀的阶段,星系的数量逐渐稀疏。在图1中,图中间橘红色的“火焰”显示的是大爆炸时期,这暗示着在大爆炸之前,可能还存在一个准备阶段,如膨胀阶段。天文学家假设存在一个快速加速的膨胀时期,这可以解释宇宙的几个特性,比如平坦性。

  宇宙的基本组成部分,以及它们之间如何相互作用和演变的方程,构成了大爆炸宇宙学中的索引模型,有时称为ΛCDM(Λ-冷暗物质模型)。其中Λ为宇宙学常数,是解释当前宇宙观测到的加速膨胀的暗能量项;CDM即冷暗物质的英文缩写。这个模型是物理宇宙学的一次胜利,它系统地将物理定律应用于宇宙的演化。该模型最重要的创始人之一便是James Peebles,他出版的三本教科书《物理宇宙学》(1971)、《宇宙的大尺度结构》(1980)和《物理宇宙学原理》(1993)已经成为该领域重要的参考文献。

  获奖者简介

  James Peebles,1935年出生于加拿大温尼伯。1962年获美国普林斯顿大学博士,现在是美国普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦荣誉科学教授。

  Michel Mayor,1942年出生于瑞士洛桑。1971年获得瑞士日内瓦大学博士,现在是瑞士日内瓦大学教授。

  Didier Queloz,1966年出生。1995年获得瑞士日内瓦大学博士,现在是瑞士日内瓦大学和英国剑桥大学教授。

 

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